Volné radikály a antioxidanty Jak poznáme volný radikál? Reaktivní formy kyslíku a dusíku Jsou volné radikály vždy pohromou? Co je to oxidační stres? Co je to antioxidant? Které známe? Jak umíme oxidační stres kvantifikovat? Onemocnění spojená s oxidačním stresem

Volný radikál Atom: proton, neutron, elektronový obal (orbital) Radikál: obsahuje volný nepárový elektron v zevním orbitalu (může to být atom i molekula, neutrál či ion) homolytické štěpení kovalentní vazby většina biomolekul nejsou radikály

Jak se vyvíjel zájem o radikály ? chemik 30. léta - předpověď existence superoxidu biochemik 60. léta - superoxiddismutasa (SOD) lékař radikálové metabolity poškozují biomolekuly

Radikál: snaha o spárování elektronů, většinou značná reaktivita Radikálová reakce Radikál: snaha o spárování elektronů, většinou značná reaktivita Obecně tři stadia iniciace propagace terminace

ROS (reactive oxygen species) volné radikály superoxid, O2 · - hydroxylový radikál, OH · peroxyl, ROO · alkoxyl, RO · hydroperoxyl, HO2 · nejsou volnými radikály peroxid vodíku, H2O2 (Fentonova reakce) kyselina chlorná, HClO ozon, O3 singletový kyslík, 1O2

RNS (reactive nitrogen species) volné radikály oxid dusnatý, NO . oxid dusičitý, NO2 . nejsou volnými radikály nitrosyl, NO+ kyselina dusitá, HONO oxid dusitý, N2O3 oxid dusičitý, N2O4 peroxynitrit, ONOO - alkylperoxinitrit, ROONO

Odkud se volné radikály berou? hlavní producenti ROS : membránově vázané enzymy popř. koenzymy flavinové struktury, hemové koenzymy, enzymy s Cu v aktivním centru 1. respirační řetězec mitochondrií : především superoxid a následně H2O2 cca 1- 4% O2 vstupujícího do resp. řetězce (hlavně komplexy I a III)

Odkud se volné radikály berou? II 2. endoplazmatické retikulum vznik superoxidu (cytochrom P- 450) 3. specializované buňky (leukocyty, makrofágy) produkce superoxidu NADP-oxidasou 4. oxidace hemoglobinu na methemoglobin (erytrocyt je „nabit“ antioxidanty)

Funkce volných radikálů ve zdravém organismu Nástroj oxidas a oxygenas cytochromoxidasa (toxické meziprodukty, H2O2 a superoxid, vázány na enzymu) monoxygenasy (oxygenasy se smíšenou funkcí) - aktivují O2 v ER jater nebo v mitochondriích nadlevin; hydroxylace

Funkce volných radikálů ve zdravém organismu II ROS a RNS proti bakteriím enzymový komplex NADPH-oxidasa leukocytů a makrofágů myeloperoxidasa - katalýza reakce H2O2 + Cl- + H+ = HClO + H2O

Funkce volných radikálů ve zdravém organismu III signální molekuly primární posel  sekundární posel  info síť redoxní stav buňky ovlivňuje funkci této sítě redoxní stav: kapacita antioxidačního systému, dostupnost redukčních ekvivalentů, intenzita oxidační zátěže (RONS)  ROS: sekundární poslové

Imunitní ochrana vs.regulace masivní produkce ROS jako nástroj imunitní ochrany x indukce změn nízkých koncentrací ROS, jež jsou pravděpodobně regulačním mechanismem

Antioxidační ochranný systém Tři typy ochrany zábrana tvorby nadměrného množství RONS záchyt a odstranění radikálů (lapače, vychytávače, zhášeče) reparační mechanismy poškozených biomolekul

Přehled antioxidantů a vychytávačů VR 1. Endogenní antioxidancia enzymová (cytochrom c, SOD, GSHPx, katalasa) neenzymová - membránová ( -tokoferol, -karoten, koenzym Q 10) - nemembránová (askorbát, uráty, transferin, bilirubin)

Přehled antioxidantů a vychytávačů VR II 2. Exogenní antioxidancia inhibitory vzniku VR (regulace aktivit enzymů) scavengery vzniklých VR (enzymy, neenzymy) stopové prvky (Se, Zn)

Enzymové antioxidační systémy

Superoxiddismutasa (EC 1.15.1.1, SOD) 2O2. - + 2H+  H2O2 + O2 SOD - téměř ve všech aerobních organismech tři druhy - různé kofaktory (vždy metal atom) indukce při vyšší tvorbě superoxidu

Superoxiddismutasa Mn 2+ SOD (SOD1) tetramer matrix mitochondrie menší stabilita než Cu, Zn - SOD fylogeneticky mladší

Superoxiddismutasa Cu 2+/Zn 2+ SOD (SOD 2) dimer, Cu = redoxní centrum cytosol, intermitochondriální prostor hepatocyt, mozek, erytrocyt vysoká stabilita, katalýza při pH 4,5-9,5

Glutathionperoxidasy odstraňují intracelulární hydroperoxidy a H2O2 2 GSH + ROOH  GSSH + H2O + ROH cytosolová GSH - glutathionperoxidasa (EC 1.11.1.9, cGPx) extracelulární GSH - glutathionperoxidasa (eGSHPx) fosfolipidhydroperoxid GSH - peroxidasa (EC 1.11.1.12, PHGPx)

Katalasa (EC 1.11.1.6, KAT) 2 H2O2  2 H2O + O2 inaktivace H2O2 : peroxisomy a mitochondrie hepatocytu, cytoplasma erytrocytu tetramer obsahující Fe, přítomnost NADPH

Vysokomolekulární endogenní antioxidanty transferin feritin haptoglobin hemopexin albumin

Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty I Askorbát (vitamin C) syntéza kolagenu přeměna dopaminu na noradrenalin redukční činidlo vstřebávání železa antioxidační účinek = redukce O2 · - , OH ·, ROO·, HO2 · regenerace tokoferylového radikálu prooxidant Alfa-tokoferol a vitamin E antioxidant membrán produkuje hydroperoxidy, které zneškodňuje GSHPx

Ascorbic acid a její metabolity

Nízkomolekulární endogenní antioxidanty II ubichinon (koenzym Q) přenašeč elektronů v dýchacím řetězci tlumí radikálové rekce ve spolupráci s tokoferolem karotenoidy, -karoten, vitamin A odstranění radikálů v lipidech

Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty III glutathion (GSH, GSSG) ve všech savčích buňkách (1-10 mmol/l) významný redox pufr 2 GSH  GSSG + 2e- + 2H+ likviduje ROS, stabilizuje v redukované SH- sk., regeneruje tokoferyl a askorbát substrát glutathionperoxidas

Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty IV kyselina lipoová (lipoát) kofaktor PDH regenerace tokoferylu, askorbátu melatonin hormon hypofýzy (regulace spánkového cyklu) lipofilní; vychytávač hydroxylových radikálů

Nízkomolekulůrní endogenní antioxidanty V kyselina močová (urát) - odpadní látka? nejhojnější antioxidant plasmy, významná reabsorpce, vychytávání RO. , HClO, vazba Fe, Cu bilirubin - inhibice lipoperoxidace flavonoidy - chelatace Fe, antikarcinogenní a protizánětlivé účinky

Stopové prvky ovlivňující VR Selen ovlivňuje resorpci vit. E, součást selenoproteinů  Se = nedostat. imunitní odp.., hemolýza erytrocytů, syntéza methemoglobinu Zinek stabilizace buněčných membrán zvýšení imunitní odpovědi, antagonista Fe

Oxidační stres Při porušení rovnováhy mezi vznikem a odstraňováním RONS nastává tzv. oxidační stres Rovnováha může být porušena na obou stranách!!

Poškození lipidů - atak na nenasycené MK ztráta násobných vazeb vznik reaktivních metabolitů (aldehydy) Důsledek změna fluidity propustnosti membrán vliv na membránově vázané enzymy

Peroxidace kyseliny linolenové

Poškození proteinů Poškození agregace a síťování, fragmentace a štěpení reakce s hemovým železem modifikace funkčních skupin Důsledek změny transportu iontů změny aktivity enzymů proteolýza

Poškození DNA Poškození štěpení cukerného kruhu modifikace bází zlomy řetězce Důsledek mutace translační chyby inhibice proteosyntézy

Jak umíme oxidační stres kvantifikovat ? Detekce volných radikálů poměrně náročné vzhledem vzhledem k fyz. chem. vlastnostem Měření produktů oxidačního stresu jednodušší, široká paleta markerů oxidačního stresu

Markery oxidačního stresu Posouzení lipoperoxidace: malondialdehyd (MDA), konjugované dieny, izoprostany Posouzení poškození proteinů : proteinové hydroperoxidy Posouzení poškození DNA : stanovení modifikovaných nukleosidů

Stanovení antioxidantů askorbát tokoferol SOD GSHPx glutathion

Onemocnění spojená s oxidačním stresem Neurologická Alzheimerova choroba Parkinsonova choroba Endokrinní Diabetes Gastrointestinální Akutní pankreatitida

Onemocnění spojená s oxidačním stresem Vaskulární Ateroskleroza Ostatní Obezita Transplantace orgánů

Literatura Štípek Stanislav a kol.: Antioxidanty a volné radikály ve zdraví a nemoci, Grada, 2000 Free radicals and antioxidant protocols edited by Armstrong D., Methods in Molecular biology, volume 108, HUMANA PRESS, Toronto, New Yersey, 1998